STM32单片机PID算法的原则及应用方法

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STM32单片机PID算法的原则及应用方法一、总体原则PID调试一般原则a.在输出不振荡时,增大比例增益P。b.在输出不振荡时,减小积分时间常数Ti。c.在输出不振荡时,增大微分时间常数Td。二、各环节作用[P]比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。反之,过小,更不上系统需求。[I]积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数TI,TI越小,积分作用就越强。反之TI大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。一般情况是将时间常数设置很小。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。[D]微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。三、细说[分为PID、PI、PD]1、确定比例增益P确定比例增益P时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令TI=0、Td=0(具体见PID的参数设定说明),使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。【解说】我们知道P是调节与预设值(即输入值)的偏差的作用的,因此P很大时,当反馈值很小时也会造成很大的波动,最终是震荡状态,这个可以试出来的,这时的P是Pmax。反之P太小时,根本不可能靠近预设值,当刚好能靠近预设值时,这时的P就是Pmin。一般取P=Pmax(*60~70%)。2、确定积分时间常数Ti比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。【解说】3、确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定P和Ti的方法相同,取不振荡时的30%。【解说】【PID算法演示小软件(绿色版)】四、具体实践01/*2014年7月17日*/02unsignedlonglastTime;03doubleInput,Output,Setpoint;04doubleetSum,lastErr;05doublekp,ki,kd;06//output=kp*et+ki*etSum+kd*det;07voidPidFunction()08{09/*Howlongsincewelastcalculated*/10unsignedlongnow=millis();//得到当前时间11doubletimeChange=(double)(now-lastTime);//得到当前时间与上次时间之间的间隔12/*Computealltheworkingerrorvariables*///13doubleet=Setpoint-Input;//反馈值与输入值的差值e(t)=比例14etSum+=(et*timeChange);//差值*时间间隔乘积累加=积分理论是零15doubledEt=(et-lastErr)/timeChange;//差值-上一次差值=微分16/*ComputePIDOutput*///17Output=kp*et+ki*etSum+kd*dEt;//输出=比例+积分+微分18/*Remembersomevariablesfornexttime*/19lastErr=et;//下次循环:当前比例成为过去比例20lastTime=now;//下次循环:当前时间成为过去时间21}22voidParaSet(doubleKp,doubleKi,doubleKd)//设置比例、积分、微分的系数23{24kp=Kp;25ki=Ki;26kd=Kd;27}上面的程序代码是整个PID控制的模板。具体的看你的系统需求。下面我讲讲倒立摆(还不知道倒立摆是什么的可以去网上了解下)的PID控制:【单个传感器实现倒立摆】角度传感器(精密电位器):我们知道一般的精密电位器就可以当作传感器来使用,电位器三个脚,其中一端接GND,一端接VCC,那么中间端作为电压输出,通过AD采样既可以获取摆转过的角度位置。自然在摆的最高点就有一个角度值。为了获得较好的控制周期,我们采用定时器中断的方式,即在定时器中断中进行采样和数据处理,并进行电机控制(放心,STM32运行速度足够了)。这里取定时器三毫米中断一次,注意,AD采样的时间一定要小于定时器中断时间,否则会出现时序错乱,可以在AD初始化中设定采样周期,或者在中断函数里面进行适当的处理,比如分三次采样取平均值(这个需要设定更小的中断时间,如一毫秒中断一次,我就是这样的做的)。定时器初始化和一些变量的定义我就没贴代码了,具体的代码如下:01voidTIM3_IRQHandler(void)02{03staticinttimercount;0405if(TIM3-》SR07timercount++;08}09TIM3-》SR//清除中断标志位1011if(timercount==1){12ang[0]=Get_Adc(ADC_CH1);13}14if(timercount==2){15ang[1]=Get_Adc(ADC_CH1);16}17if(timercount==3){18////////////anglePID///////////19ang[2]=Get_Adc(ADC_CH1);//采集AD值20angleLast=angle;//保存上一次的采样角度值21angle=(ang[0]+ang[1]+ang[2])/3;//取三次采集的平均值22degreeLast=degree;//保存上一次的计算角度值23degree=calcAngle(angle);//获取新的计算角度值2425velocity=(angle-angleLast);//得到采样角速度差值(微分值)26if(abs(angle-setPoint)《=4)//输入值与反馈值差的绝对值《427error_p=0;//p=0

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